一种基于BLDC的六步换相法锁紧控制电路及其控制方法与流程

一种基于bldc的六步换相法锁紧控制电路及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及角度测量技术领域，尤其是涉及一种基于bldc的六步换相法锁紧控制电路及其控制方法。


背景技术：

2.锁紧装置广泛应用于惯测导航等军工系统中，对产品的稳定性及使用要求比较高，但当前市场上锁紧装置使用的电机都为直流空心杯有刷电机，有刷电机的电刷材料分为石墨碳刷和金属刷丝两种，在长时间使用后这两种刷丝都有各自的缺点，在长期使用后摩擦阻力大、损耗大，产生的磨屑会在电机内部移动，易引起电机的刷丝和换向器之间接触不良或匝间短路，引起空心杯杯体膨胀或电机停转，造成产品损失，不利于产品的保养和维护。使用了有刷电机的锁紧装置在几年后往往容易因电机电刷与换向片之间的磨损而引起产品异常，导致一系列故障发生无刷直流电机（brushless direct current motor, bldcm）以电子换向器取代了机械换向器，所以无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。锁紧装置采用无刷电机作为运动电机，既可避免因电机机械特性导致的一系列潜在隐患，又能利用无刷电机的特性应对更加复杂的使用环境。
3.由于无刷直流电机的实质是直流电源输入，采用电子逆变器将直流电转换为交流电。无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢，转子是永磁体。如果只给电机通以固定的直流电流，则电机只能产生不变的磁场，电机不能转动起来，只有实时检测电机转子的位置，再根据转子的位置给电机的不同相通以对应的电流，使定子产生方向均匀变化的旋转磁场，电机才可以跟着磁场转动起来，所以急需开发要一块基于 bldc的六步换相法锁紧控制电路。


技术实现要素：

4.本发明的第一个目的在于提供一种实现无刷电机替代有刷电机锁紧装置的基于bldc的六步换相法锁紧控制电路。
5.本发明的第二个目的在于提供一种实现无刷电机锁紧装置控制电路的基于bldc的六步换相法锁紧控制方法。
6.本发明的第一个目的是这样实现的：一种基于bldc的六步换相法锁紧控制电路，特征是：包括mcu控制模块、电流采样模块、位置反馈模块、信号隔离模块、驱动模块、供电模块,其中：电流采样模块对无刷直流电机的三相电流进行采样后反馈给mcu控制模块；位置反馈模块由比较器和霍尔信号采集电路组成，比较器将无刷直流电机的解锁位置与锁紧位置的光电触发情况反馈给mcu控制模块，霍尔采集信号电路根据无刷直流电机尾端的霍尔传感器的触发情况确定无刷直流电机的转子位置，反馈给mcu控制模块；mcu控制模块将处理后的信号传输给信号隔离模块，信号隔离模块将数字信号换为模拟信号，然后传输给驱动模块，信号隔离模块进行信号隔离，
减少电路干扰；驱动模块通过输入端接收到的控制信号传输给无刷直流电机，依次控制无刷直流电机的abc三相输出；供电模块为mcu控制模块供电。
7.mcu控制模块选用stm32f303rct6tr为主控芯片，根据位置反馈、电流反馈，调整输出pwm脉宽信号控制驱动模块；电流采样模块选用三块ina240a2pwr电流采样器，驱动电路采用三相驱动器l6234，该驱动芯片由六个mos管构成h桥电路，通过输入端的控制信号依次控制无刷电机的abc三相输出。
8.本发明的第二个目的是这样实现的：一种基于bldc的六步换相法锁紧控制电路的控制方法，其特征是：包括主程序模块、串口接收中断模块、串口发送中断模块、定时中断模块以及电机旋转模块五个模块，具体步骤如下：a、主程序模块是锁紧装置的mcu控制模块上电后自动运行的流程，流程框图如图4所示，主流程运行无时间要求，可以被中断函数打断，当中断处理函数返回时，继主流程运行后依次调用以下各模块：a)硬件初始化模块（mcu_init）、b)电机初始化模块（motor_init）、c)待发送的帧格式规格化（tx_data_init）、d)开机传感器状态读取模块（turn_par_init）、e)霍尔初始化模块（half_init()）、f)运动状态标记turn_flag = 10（代表开机状态）、g)turn_flag 运动状态标记、h)err_state 故障代码；主流程完成初始化后，turn_flag=10，此时进入第一个循环，此时如锁紧装置不在锁紧或解锁位置，发送的状态信息为“开机状态”，且只接受解锁指令；第二个循环一直重复检查是否有锁紧控制指令，如有，当正常完成锁紧运动后，继续重复循环；如不能正常完成运动表示出现故障，则切断电机、发送错误故障代码、进入无限循环，不接受任何运动指令；第三个循环是无限循环，此时因为故障主流程已经不响应运动指令；此时只有断电，并根据故障代码对mcu控制模块进行检查、排除故障后重新启动；b、串口接收中断模块主要用于串口数据的接收，当串口接收到一个字符时，mcu控制模块中的mcu挂起当前的主流程，自动调用串口接收中断处理流程；中断处理流程结束后，mcu继续执行主流程；中断处理流程框图见图5；串口的基本参数为： 1个起始位，8个数据位，波特率38400bps；该模块主要有三个指令：查询指令、锁紧指令、解锁指令，根据运动标志（turn_flag）和错误标志（err_state）填写串口待发送数据或判断是否响应该指令，发送长度并启动发送中断；c、串口发送中断模块主要用于串口数据的发送，当串口发送一个字符后，mcu控制模块中的mcu挂起当前的主流程，自动调用串口发送中断处理流程；中断处理流程结束后，mcu继续执行主流程；中断处理流程框图见图6；发送中断的最小间隔时间与接收中断一样，约为220.8μs；串口发送中断处理流程依次执行下列工作：检查已发送指针计数器是否等于需发送长度，如果是则退出；发送指针加1，发送一个字符；退出；d、定时中断模块主要用于主程序的定时中断，对锁紧装置的各种故障进行处理；主流程在检测到运动标志（turn_flag）置位并调用运动控制函数后，会启动定时中断模块，中断周期为5ms；运动方式不同，定时中断流程执行的代码也不尽相同。定时中断流程图见图7；而在解锁、锁紧运动时软件定时中断流程执行以下代码：a. 检测驱动芯片相应信号，是否过流；b. 超时计数器加1，判断是否超时；c. 比较电机控制量，是否达到了设定值；无论是何方式，只要出现过热、过流或超时任一种情况，定时中断流程都会将错误标志（err_
state）置位，并关闭电机；e、电机旋转模块主要用于控制无刷直流电机正反转，控制无刷直流电机旋转采用六步换相法，根据控制指令驱动无刷直流电机正反转；在旋转时，电机旋转模块依次运行mos_q63pwm、mos_q32pwm、mos_q25pwm、mos_q54pwm、mos_q41pwm、mos_q16pwm六个mos管导通函数：即第1步导通控制无刷直流电机的a 、c-mos管，关断无刷直流电机b相；第2步导通控制无刷直流电机的a 、b
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mos管，首先关断无刷直流电机c相，然后保持开启a ，最后开启b-；第3步导通控制无刷直流电机的c 、b
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mos管，首先关断无刷直流电机a相，然后开启c ，最后保持开启b-；第4步导通控制无刷直流电机的c 、a
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mos管，首先关断无刷直流电机b相，然后保持开启c ，最后开启a-；第5步导通控制无刷直流电机的b 、 a
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mos管，首先关断无刷直流电机c相，然后开启b ，最后保持开启a-；第6步导通控制无刷直流电机的b 、c
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mos管，首先关断无刷直流电机a相然后保持开启b ，最后开启c-，此后依次循环。
9.上述无刷直流电机六步换相法锁紧控制方法采用pwm控制，在不改变无刷直流电机的前提下，只需要更改三路pwm输出顺序以及占空比，就能很方便地改变无刷直流电机的运行速度和输出方向。
10.因此，本发明具有如下优点：1、本发明采用pwm脉宽调制控制方式易于实现，抗噪声能力显著提高，通过rs422接口可以实现双工通讯，可以实时监测到无刷直流电机锁紧装置的运动状态，通过定时中断模块可以迅速对锁紧装置的故障进行处理，对无刷直流电机的锁紧装置有很好的保护作用；2、利用六步换相法控制无刷直流电机易于操作，在复杂工况和恶劣条件下也能保证锁紧的精确和稳定；3、本发明根据无刷直流电机的特性，利用六步换相法，可以十分便利地驱动无刷直流电机旋转，并且不易受环境（粉尘）影响，提高了工作的可靠性；4、由于无刷直流电机没有机械换相，电机在换相时不会出现火花，不易损坏，提高了可维护性。
附图说明
11.图1是本发明六步换相法的换相序位图；图2 是本发明的设计框图；图3 是本发明的电路框图；图4是主程序模块的流程图；图5是串口接收模块的流程图；图6是串口发送模块的流程图；图7是定时中断的流程图。
12.具体实施方式：下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
13.如图3所示，一种基于bldc的六步换相法锁紧控制电路，包括mcu控制模块、电流采样模块、位置反馈模块、信号隔离模块、驱动模块、供电模块,其中：电流采样模块对无刷直流电机的三相电流进行采样后反馈给mcu控制模块；位置反馈模块由比较器和霍尔信号采
集电路组成，比较器将无刷直流电机的解锁位置与锁紧位置的光电触发情况反馈给mcu控制模块，霍尔采集信号电路根据无刷直流电机尾端的霍尔传感器的触发情况确定无刷直流电机的转子位置，反馈给mcu控制模块；mcu控制模块将处理后的信号传输给信号隔离模块，信号隔离模块将数字信号换为模拟信号，然后传输给驱动模块，信号隔离模块进行信号隔离，减少电路干扰；驱动模块通过输入端接收到的控制信号传输给无刷直流电机，依次控制无刷直流电机的abc三相输出；供电模块为mcu控制模块供电。
14.mcu控制模块选用stm32f303rct6tr为主控芯片，根据位置反馈、电流反馈，调整输出pwm脉宽信号控制驱动模块；电流采样模块选用三块ina240a2pwr电流采样器，驱动电路采用三相驱动器l6234，该驱动芯片由六个mos管构成h桥电路，通过输入端的控制信号依次控制无刷电机的abc三相输出。
15.本发明的第二个目的是这样实现的：一种基于bldc的六步换相法锁紧控制电路的控制方法，其特征是：包括主程序模块、串口接收中断模块、串口发送中断模块、定时中断模块以及电机旋转模块五个模块，具体步骤如下：a、主程序模块是锁紧装置的mcu控制模块上电后自动运行的流程，流程框图如图4所示，主流程运行无时间要求，可以被中断函数打断，当中断处理函数返回时，继主流程运行后依次调用以下各模块：a)硬件初始化模块（mcu_init）、b)电机初始化模块（motor_init）、c)待发送的帧格式规格化（tx_data_init）、d)开机传感器状态读取模块（turn_par_init）、e)霍尔初始化模块（half_init()）、f)运动状态标记turn_flag = 10（代表开机状态）、g)turn_flag 运动状态标记、h)err_state 故障代码；主流程完成初始化后，turn_flag=10，此时进入第一个循环，此时如锁紧装置不在锁紧或解锁位置，发送的状态信息为“开机状态”，且只接受解锁指令；第二个循环一直重复检查是否有锁紧控制指令，如有，当正常完成锁紧运动后，继续重复循环；如不能正常完成运动表示出现故障，则切断电机、发送错误故障代码、进入无限循环，不接受任何运动指令；第三个循环是无限循环，此时因为故障主流程已经不响应运动指令；此时只有断电，并根据故障代码对mcu控制模块进行检查、排除故障后重新启动；b、串口接收中断模块主要用于串口数据的接收，当串口接收到一个字符时，mcu控制模块中的mcu挂起当前的主流程，自动调用串口接收中断处理流程；中断处理流程结束后，mcu继续执行主流程；中断处理流程框图见图5；串口的基本参数为： 1个起始位，8个数据位，波特率38400bps；该模块主要有三个指令：查询指令、锁紧指令、解锁指令，根据运动标志（turn_flag）和错误标志（err_state）填写串口待发送数据或判断是否响应该指令，发送长度并启动发送中断；c、串口发送中断模块主要用于串口数据的发送，当串口发送一个字符后，mcu控制模块中的mcu挂起当前的主流程，自动调用串口发送中断处理流程；中断处理流程结束后，mcu继续执行主流程；中断处理流程框图见图6；发送中断的最小间隔时间与接收中断一样，约为220.8μs；串口发送中断处理流程依次执行下列工作：检查已发送指针计数器是否等于需发送长度，如果是则退出；发送指针加1，发送一个字符；退出；d、定时中断模块主要用于主程序的定时中断，对锁紧装置的各种故障进行处理；主流程在检测到运动标志（turn_flag）置位并调用运动控制函数后，会启动定时中断模块，
中断周期为5ms；运动方式不同，定时中断流程执行的代码也不尽相同。定时中断流程图见图7；而在解锁、锁紧运动时软件定时中断流程执行以下代码：a. 检测驱动芯片相应信号，是否过流；b. 超时计数器加1，判断是否超时；c. 比较电机控制量，是否达到了设定值；无论是何方式，只要出现过热、过流或超时任一种情况，定时中断流程都会将错误标志（err_state）置位，并关闭电机；e、电机旋转模块主要用于控制无刷直流电机正反转，控制无刷直流电机旋转采用六步换相法，根据控制指令驱动无刷直流电机正反转；在旋转时，电机旋转模块依次运行mos_q63pwm、mos_q32pwm、mos_q25pwm、mos_q54pwm、mos_q41pwm、mos_q16pwm六个mos管导通函数：即第1步导通控制无刷直流电机的a 、c-mos管，关断无刷直流电机b相；第2步导通控制无刷直流电机的a 、b
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mos管，首先关断无刷直流电机c相，然后保持开启a ，最后开启b-；第3步导通控制无刷直流电机的c 、b
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mos管，首先关断无刷直流电机a相，然后开启c ，最后保持开启b-；第4步导通控制无刷直流电机的c 、a
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mos管，首先关断无刷直流电机b相，然后保持开启c ，最后开启a-；第5步导通控制无刷直流电机的b 、 a
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mos管，首先关断无刷直流电机c相，然后开启b ，最后保持开启a-；第6步导通控制无刷直流电机的b 、c
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mos管，首先关断无刷直流电机a相然后保持开启b ，最后开启c-，此后依次循环。
16.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。